Circuitos e princípios de oscilador digital para produzir sinal de clock

Um oscilador produz um sinal retangular (clock) necessário ao funcionamento dos circuitos digitais que funcionam de forma sincronizada.

A frequência do sinal de clock é determinada em função do circuito que será sincronizado. A forma de onda retangular produzida pelo oscilador deve ser o mais perfeita possível.

Um circuito pode não reconhecer um sinal de clock irregular. Pior ainda, o circuito pode comportar-se de modo instável, afetando sua operação.

Abaixo você verá alguns circuitos de oscilador digital, utilizados na geração de sinais retangulares.

Você verá logo abaixo a imagem de um piscador da natureza, que fica voando… Se quiser que outros vejam e considerar este conteúdo bom, compartilhe pelos links: FacebookLinkedinTwitterGoogle Plus

Multivibrador Astável

Circuito multivibrdor astável para oscilador com transistores

Este circuito tem como característica mudar constantemente de estado, isto é, ficar variando entre os estados “0” e “1” (alto e baixo). Assim, após um curto intervalo em “0”, o sinal muda para “1”, exibindo a forma retangular.

O que leva o circuito acima a produzir uma oscilação é a realimentação criada pela conexão dos dois capacitores. A frequência é determinada pela constante de tempo RC. O oscilador acima é do tipo RC.

Basicamente, um transistor vai conduzir mais do que o outro, revezando entre estados de corte e saturação. Quando um estiver no corte, o outro estará na saturação.

Os dois LEDs do circuito piscarão alternadamente, indicando tudo isso. Os tempos de acendimento dos LEDs dependem dos valores de R e C.

Você consegue pensar em uma aplicação curiosa para isso? Se pensou em vagalume… Olha o cara aí embaixo. Leds piscando vão lembrar as luzes piscantes do vagalume

Vagalume é um oscilador natural. Circuito multivibrador astável.
Vagalume (oscilador natural?) – Crédito: Glimworm_Lampyris_noctiluca.jpg: Jasja Dekker

Astável com funções lógicas


Com inversores

Circuito oscilador com 2 inversoresA frequência de operação é determinada pela fórmula f = 1 / (2 × π × R × C), em que π = 3,14. Neste circuito, o R da fórmula é o R total que eu indiquei na imagem, na elipse amarela.

A precisão da frequência dada pela fórmula vai depender da tensão de alimentação e da tolerância dos componentes externos.

O resistor R1 (círculo azul) tem a função de contornar problemas de funcionamento em osciladores, causados pela presença de diodos nas entradas de circuitos CMOS.

Esse resistor R1 precisa ser igual a pelo menos dez vezes o valor de R (no circuito acima R = Rtotal), isto é, R1 = 10 × Rtotal. O valor de R1 = 1 MΩ é bom na prática pelos seguintes motivos:

  • Não afeta a frequência de operação;
  • Mantém a estabilidade de funcionamento do circuito.

O resistor variável (R3 = 100 kΩ) é para variar a frequência, já que ele será o responsável por variar o Rtotal.

A faixa de frequências poderá variar numa razão de 10 para 1, porque o resistor variável R3 é dez maior do que o R2 (10 kΩ), resistor em série. O circuito gera um sinal quadrado, com ciclo ativo de 50%, necessário na maioria das aplicações em circuitos digitais.

Ciclo ativo: tempo em que o pulso está em nível alto (“1” ou on) dividido pelo período T (ton + toff) do pulso.


Oscilador com disparador

Circuito oscilador com 4093 para gerar clockAo utilizar um oscilador de um destes tipos pode ser necessário um menor tempo de comutação no reconhecimento do nível lógico na entrada.

Conseguimos isto com o CI 4093, famoso pela característica de histerese. Os detalhes deste tema estão fora da proposta deste artigo.

Na imagem acima tem uma linha envolvendo um bloco de circuito. É para mostrar que este bloco pode ser inserido na posição do circuito série que está dentro da elipse amarela do circuito do item anterior. Assim, também dá para controlar o ciclo ativo de lá.


Oscilador com cristal

Circuito oscilador com cristal para geração de sinal de clock em circutos digitais
Entre os pontos 1 e 2 está o símbolo do cristal de quartzo.

Pequena correção: para ser preciso, o capacitor indicado é o ajustável. O variável tem uma seta no final da barra.

O circuito acima é uma forma de criar um oscilador com cristal para circuitos digitais.

Com o cristal de quartzo conseguimos manter a frequência fixa e limitada por intervalos estreitos. Determina-se a frequência básica de operação com este cristal.

É um componente importante em circuitos que exigem precisão de frequência, como em controles eletrônicos e cronômetros.

Com o capacitor ajustável fazemos um ajuste fino de frequência. Quando o oscilador é ligado, este capacitor ajuda em seu início de funcionamento.

Eu escrevi na imagem: “Porta NOR conectada como porta NOT”. Essa é uma forma de conseguir a função lógica NOT sem precisar de outro circuito integrado.

Assim, basta utilizar o CI 4001. É um componente a menos para adquirir, economizando também espaço na placa.

Mas lembre: essas técnicas são antigas e dá para fazer implementar muitas funções através de microcontroladores. O “problema” disso é que muitos não tem intimidade com programação, ou até não gostam.

Oscilador 555

Circuito de oscilador 555 para gerar clock

Para o objetivo de gerar um pulso na saída, o 555 precisa funcionar no modo astável, o que é conseguido ao conectar o terminal 2 (TRG) ao terminal 6 (TRS).

A frequência do pulso será alterada através do potenciômetro de 100 kΩ (R2), mas o ciclo ativo não será alterado.

O capacitor de 0,1 uF, destacado na imagem, minimiza a captação de sinal de ruído que pode aparecer caso o terminal 5 (CTL) não esteja conectado.


Crédito pela imagem em destaque: Mattias.Campe